这家价值 10 亿美元的公司计划利用光建造巨型量子计算机。它能成功吗？

Jeremy O'Brien 说，在他从事学术界的那些年里，他“进入商业界的雄心完全为零”。然而今天，这位澳大利亚物理学家经营着一家私人量子计算公司，风险投资家和政府纷纷争相投资，该公司正在做出该领域最大胆的承诺。

自 O'Brien 与三位学术同事一起创立 PsiQuantum 以来的九年里，该公司已经悄悄筹集了超过 10 亿美元，估值超过 30 亿美元——这意味着它的金库可能与谷歌或 IBM 的内部量子计算工作相媲美。仅在过去一年中，总部位于加利福尼亚州帕洛阿尔托的拥有 350 名员工的 PsiQuantum 就获得了澳大利亚和美国政府的重大投资，增加了前几轮私人融资。“他们获得了量子社区最大的风险投资之一，”加利福尼亚州奥兰治县的计算机科学家 Doug Finke 说，他在商业分析公司 Global Quantum Intelligence 工作。

所有这些投资都是为了追求一个大胆的目标：在硅芯片中使用光来制造一台性能优于经典机器的巨型可编程量子计算机，而且很快就会实现。该公司的研究人员告诉《自然》杂志，到 2027 年底，PsiQuantum 的目标是运行一台光子量子计算机，该计算机可以运行商业上有用的问题并且具有“容错性”：也就是说，它通过纠正这些脆弱系统中固有的错误使计算成为可能。如果他们成功了，这将使该公司领先于其主要竞争对手，并超越了在小型量子计算机上研究玩具问题的研究人员。

然而，与竞争对手相比，PsiQuantum 的表现非常有限。PsiQuantum 没有像其他人那样通过推出数十或数百个量子比特的系统来逐渐建立，而是旨在跳到一台需要 100 万个量子比特的机器。（PsiQuantum 的研究人员尚未公布具体数字。要做到这一点，它需要克服尚未证明自己可以解决的技术挑战，上海中国科学技术大学（University of Science and Technology of Shanghai）研究光子量子计算的物理学家卢朝阳（Chao-Yang Lu）说。他是担心该公司承诺将难以实现的事情的几位科学家之一。

“在我的印象中，人们对 PsiQuantum 取得的进展持怀疑态度，”加州大学伯克利分校 （University of California， Berkeley） 的量子物理学家 Shimon Kolkowitz 说。他称押注他们是“极高风险的”。

PsiQuantum 的研究人员表示，该公司取得的成就比公开展示的要多，而且资助者已经仔细审查了它的计划。O'Brien 本人用过去时态谈到挑战，并坚持认为成功几乎没有疑问。一些独立研究人员认为，它的计划至少是合理的。“我认为这是一场了不起的赌博，”位于帕莱索的法国国家科学研究中心（French National Centre for Scientific Research）的量子光学物理学家帕斯卡尔·塞内拉特（Pascale Senellart）说。“这真的值得探索。”

飞行量子比特

PsiQuantum 的方法与一些主要竞争对手的方法截然不同（请参阅本文末尾的“比较量子计算机”），因为它选择了量子比特（量子信息的基本单位）。传统计算机的二进制数字（位）编码为 1 或 0，而量子比特可以放入“叠加”状态——同时以两种状态存在，即 1 和 0 的组合，并有可能被测量为其中任何一种状态。计算来自“纠缠”这些量子比特，这意味着它们的量子态变得内在联系和相互依赖。O'Brien 说，为了防止错误破坏计算，量子计算机需要大约 10,000 个物理量子比特协同工作，以制造每个有用的“逻辑”量子比特。有了几百个这样的计算机，研究人员希望量子计算机能够执行复杂的计算，例如在量子水平上模拟化学过程，这对于经典机器来说太困难了。

该领域的许多公司都是用原子、离子或超导材料的微小环制造量子比特的，在每种情况下，都是具有一定质量且通常固定到位的物理物体。但 PsiQuantum 是少数几家使用无质量光粒子或光子（有时称为飞行量子比特）的公司之一。

将光用作量子比特的想法并不新鲜。在 2000 年代初期，光量子计算是最早进行实验探索的平台之一。PsiQuantum 的一些创始人参与了该领域的诞生，Senellart 说，他是 Quandela 的联合创始人，该公司总部位于巴黎附近，生产光子量子计算机。

她说，用光制作量子计算机“在纸上，相当容易”。PsiQuantum 通过使用称为分束器的光学设备同时沿着蚀刻到硅中的两条路线（称为波导）发送单个光子来创建量子比特。因为光子没有电荷或质量，所以它们在很大程度上不受周围环境的影响。这意味着，即使在室温下，基于光子的量子比特对困扰竞争对手硬件的多种类型的噪声也不敏感。这种维护量子信息和高速长距离传输的能力使构建大型快速系统变得容易。“这是一笔巨大的财富，”Senellart 说。

但光子也有障碍。很难按需生成单个、几乎相同的光子。它们很容易被吸收和流失。让飞扬的粒子相互作用是一个挑战。尽管光波确实会相互干扰，但仅靠这种交互不足以构建多量子比特门，其中量子比特纠缠形成基本逻辑作。

为了产生光子，该公司将激光泵送穿过硅。这些来源是概率性的：它们可能每 20 次尝试产生一对光子。拥有一对是必要的，因为备用或“先驱”光子提供了一个提醒，允许计算机使用幸存的光子。

通过这种策略，每个芯片都需要许多这样的光源，以及可以处理光子而不会丢失光子的超高效波导和光学元件。

为了执行逻辑运算，PsiQuantum 首先通过将光子聚集在一起以使其光波相互干扰来构建纠缠光子量子比特簇，然后以纠缠剩余量子比特的方式对其中一些量子比特进行测量。然后，通过对来自不同星团的光子对进行连续的此类测量来进行计算。这些测量会破坏量子对，但会纠缠它们的集群，这种技术称为基于聚变的量子计算（参见'具有'飞行量子比特'的量子计算机'）。Senellart 说，PsiQuantum 拥有一支令人印象深刻的团队，致力于开发这种计算机背后的理论。“他们想出了很多聪明的计划，”她说。

PsiQuantum 的方法不断生成和销毁光子，每个量子比特只需要存在足够长的时间，以便与另一个量子比特纠缠或测量，而不是在计算期间。尽管每个作都涉及一个机会因素，光子会丢失，但作为测量的一部分，故障是可以检测到的，PsiQuantum 的物理学家 Mercedes Gimeno-Segovia 说，他正在研究计算机的架构。

“这是一种非常宽容的量子计算方式，”澳大利亚布里斯班昆士兰大学的光学物理学家、O'Brien 的前学术同事 Andrew White 说。“你可以接受非常高的错误率，但仍然可以进行扩展。”

PsiQuantum 并不是唯一一家追求使用光进行量子计算的公司。Senellart 说，大多数公司计划通过使用光子量子比特纠缠设备最终来扩展他们的系统，因此现在掌握它们是有意义的。没有一个能比得上 PsiQuantum 的 10 亿美元支持。位于加拿大多伦多的 Xanadu 公司使用量子比特“挤压”状态，将信息编码到多个光子的电磁场中。它已经创造了一台拥有 200 多个量子比特的机器，并筹集了数亿美元的资金。Quandela 已经筹集了 6750 万美元，销售使用按需单光子源的小型机器，以提高效率并减小计算机的尺寸。总部位于伦敦的 ORCA Computing 正在开发一种将单光子存储为短期量子存储器的方法;它已经筹集了至少 1500 万美元。

PsiQuantum 的推介

PsiQuantum 的物理学家表示，他们的优势在于建立在现有的两个大型行业的基础上：用于计算机的半导体制造和光子学，它创造了用于电信电缆的光纤。该公司的芯片是与美国半导体巨头 Global Foundries 合作制造的，将分束器等传统技术与单光子探测器和光源等组件相结合，这些组件很少在实验室之外使用。这些都蚀刻在硅晶片上，在那里它们纵电信频率的光子。

“在某种程度上，我们正在采用现有技术，使它们以量子力学的方式运行，而不是发明全新的技术，然后试图弄清楚如何扩展它，”PsiQuantum 的联合创始人之一兼首席技术专家 Mark Thompson 说。

为了使其系统正常工作，该公司需要数百万个精密电子元件，这些元件必须以前所未有的效率运行，并且不能简单地从货架上取下来。例如，探测器需要使用液氦冷却至 4 开尔文左右。O'Brien 说，最大的挑战是制造光学开关以将光子转移到计算中。为此，该公司建立了自己的工厂来生产高纯度钛酸钡晶片，钛酸钡是一种可以有效引导光线的材料。O'Brien 说，公司花了大量资金并下了大赌注：这种信念的飞跃是他最引以为豪的事情之一。

局外人必须相信 O'Brien 和他的同事们在很大程度上相信他们已经解决了这些挑战。这家曾经以保密著称的公司开始开放。4 月，它发布了一份预印本，概述了其硬件平台，White 称其令人瞠目结舌（K. Alexander 等人。arXiv https://doi.org/gtzxqj 预印本;2024 年）。他说，它显示了效率，例如将芯片上的光转化为光纤，“远远领先于最好的大学实验室所能做到的”。

论文中的一些演示“令人印象深刻”，Senellart 说。但她补充说，其他指标缺失，例如每秒产生的光子速率。更重要的是，有些数字并没有达到他们需要的水平，加拿大滑铁卢大学（University of Waterloo）的量子物理学家格雷姆·史密斯（Graeme Smith）说。例如，他说，检测到预示粒子的可能性报告为 26%，而它需要超过 50%。“许多年后，他们仍在为良好的单光子源而苦苦挣扎，这并不令人鼓舞，因为这是他们提议的架构的最基本组成部分，”他说。加拿大本拿比市西蒙弗雷泽大学（Simon Fraser University）的量子物理学家斯蒂芬妮·西蒙斯（Stephanie Simmons）说，任何光子量子计算机都需要将光子损失降低到以前从未大规模展示过的水平。

作为回应，Thompson 表示，该团队的论文只是 PsiQuantum 所取得成就的“冰山一角”。商业秘密可能是该团队没有发布其最佳作品的原因之一。“在学术期刊上发表文章非常耗时，而且相当分散注意力，”他说。

但 Senellart 说，PsiQuantum 的方法也感觉像是一场赌博，因为它选择不公开展示小型演示，通常被称为嘈杂的中等规模量子 （NISQ） 设备。她说，“就个人而言，如果采用渐进式方法，我会睡得更好”。如果公司可以在没有的情况下进行管理，“那就太棒了”。

错过这个阶段意味着没有可用的工作原型，这让那些喜欢看到具体里程碑的学者感到恼火。Finke 说，由于没有 NISQ 计算机，该公司在招募最终用户或软件合作伙伴方面不如其他公司积极，这增加了它的神秘气氛。怀特说：“公开地说，他们没有在论文中证明除了几个光子之间的纠缠之外的任何东西。

O'Brien 说，这是因为证明计算机可以处理 100 个量子比特，并不能说明它是否会扩展到 100 万个量子比特。学术演示往往使用不会大规模飞行的捷径，该公司的联合创始人之一兼首席科学官皮特·沙德博尔特 （Pete Shadbolt） 补充道。O'Brien 说，小型、嘈杂系统的成功应用匮乏证明了公司战略的合理性。“我们一直都知道，有用的量子计算机将是一台大型机器。”

事实上，创造 NISQ 一词的美国物理学家约翰·普雷斯基尔 （John Preskill） 去年表示，即使他也认为 NISQ 时代没有出现任何有用的应用程序。

该公司表示，它正在构建规模和复杂性不断增加的内部原型，但不会将它们作为量子计算机进行销售。Thompson 说，目标是找到工程需要改进的地方，而不是运行算法来解决小规模问题。在英国，该公司已经建造了约 2 米高的机柜大小的原型设备，其中包括低温冷却设备和许多必要的计算组件;较大的 S 项目将于 2025 年在美国上线，Shadbolt 说。O'Brien 说，最终，PsiQuantum 的计算机将涉及大约 100 台这样的设备，大约相当于一个仓库的大小。

筹集现金

在回答有关 PsiQuantum 的进展和计划的问题时，发言人 Alex Mack 表示，他们已经接受了资助者的彻底审查。该公司在这个领域取得了很多成功。在过去的一年里，它从澳大利亚和美国政府筹集了超过 10 亿美元的贷款、股权和赠款，以换取在那里建造其首批两台量子计算机：到 2027 年，第一台在布里斯班，另一台在伊利诺伊州芝加哥。White 说，在说服资助者方面，O'Brien 的技术知识和沟通技巧的结合是一项资产。“你和他的批评者交谈，你和他的粉丝也一样，他们都认为他是不可阻挡的。”Senellart 说，与来自加州硅谷的投资者合作也有帮助——10 亿美元在硅谷并不是什么大数目。

然而，PsiQuantum 的大量公共投资引起了人们的注意。在澳大利亚，国家审计局正在考虑审查联邦和州政府提供的 PsiQuantum 6.2 亿美元的一揽子计划，因为有指控称资助者运行的系统缺乏透明度和公平竞争。根据澳大利亚影子科学部长保罗·弗莱彻 （Paul Fletcher） 提出的信息自由请求发布的文件显示，PsiQuantum 至少与澳大利亚政府会面两次，讨论一项未经请求的投标。这发生在其他几家最终没有成功的公司被邀请寻求资金的几个月前。

今年 8 月，弗莱彻告诉天空新闻，这个过程“本质上是一个逆向设计的骗局”，以掩盖政府已经做出的决定。但联邦政府的一位发言人表示，澳大利亚工业和科学部长埃德·胡西克（Ed Husic）“一直坚称政府经历了严格、漫长的尽职调查过程”。（昆士兰州政府——在 10 月选举后易手——批评了前州政府的这笔交易，并表示正在调查。澳大利亚的一些研究人员也对一个国家向一家公司投入如此多的资金表示担忧，尽管政府已经资助了其他量子计算公司。

Mack 证实，PsiQuantum 最初主动向澳大利亚政府进行了推销。“接下来是一个漫长的尽职调查过程，”他说，并补充说澳大利亚的首席科学家领导了这个过程。他补充说，该公司的大部分政府资金都取决于里程碑的“成功执行”，例如其原型。

作为对 PsiQuantum 的支持标志，它经受住了美国国防高级研究计划局 （DARPA） 约 50 名专家的审查。2023 年，DARPA 选择 PsiQuantum 和 Microsoft 推进一项计划，调查未被充分开发的量子计算方法是否可以实现“公用事业规模作”。Shadbolt 说，该机构检查了芯片并分析了 PsiQuantum 的计划。在 DARPA 的密切检查下，“所有脏衣服都必须出来”，Simmons 补充道，她通过位于加拿大温哥华的公司 Photonic 获得了 DARPA 计划的经验。

DARPA 关于其计划的一份文件指出，这些项目是合理的，但不能保证。Finke 说，就像任何致力于不断发展的技术的人一样，PsiQuantum 可能会发现某些任务是不可能的，或者竞争对手可以做得更好或更便宜。对 White 来说，即使是失败也是胜利，因为他说，公司正在取得的进步将推动更广泛的光子学行业。

最后一个问题是，一台完成的机器是否能做到 PsiQuantum 承诺的事情。Lu 担心该公司和其他一些量子计算初创公司正在提出大胆的主张，从而加剧了膨胀的期望。“人们越来越担心，”他说。与传统机器相比，量子计算机具有潜在优势，但“没有人真正知道量子计算机是否有助于制造更好的电池或设计新的药物”，Smith 补充道。

一如既往，O'Brien 仍然充满信心。他说，有了足够多的逻辑纠错量子比特执行足够多的作，就有可能回答原本无法回答的具有深远价值的问题。“我认为量子计算机的实用性是明确的。”

比较量子计算机

量子比特可以通过不同的方式制造。以下是五种硬件和量子比特类型，每种类型都有一个公司及其目标的示例。（许多公司没有显示。

*量子比特编号本身并不能表示量子计算机的能力。